WO2018074818A1 - Quantum circuit and method for implementing logical bell quantum state encoded by two different quantum error correction codes - Google Patents

Quantum circuit and method for implementing logical bell quantum state encoded by two different quantum error correction codes Download PDF

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WO2018074818A1
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quantum
circuit
logical
cnot
error correction
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PCT/KR2017/011470
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최병수
황용수
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한국전자통신연구원
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M13/00Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M13/00Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes
    • H03M13/29Coding, decoding or code conversion, for error detection or error correction; Coding theory basic assumptions; Coding bounds; Error probability evaluation methods; Channel models; Simulation or testing of codes combining two or more codes or code structures, e.g. product codes, generalised product codes, concatenated codes, inner and outer codes

Definitions

  • the present invention relates to quantum computing, and more particularly, to quantum circuits and methods for implementing logical bell quantum states encoded with two different quantum error correction codes.
  • quantum computers based on qubits represented by superpositions of '0' and '1' perform much faster operations than digital computers that handle bits that can only represent '0' or '1'. It is known. Representative examples of excellent performance of quantum computers include prime factorization and quantum mechanical simulation. Therefore, there have been many attempts to implement quantum computers using quantum mechanics, but there are many difficulties in actually implementing quantum computers. As a representative example, there is a quantum noise problem. Quantum information can easily lose the original state of quantum information even by fine quantum noise. Therefore, fault-tolerant quantum error correction using quantum error correction code is used to protect quantum information.
  • Fault-tolerant quantum information processing refers to an operation of encoding quantum information using a quantum error correction code and then manipulating the quantum information using a quantum operator operating in a fault tolerant manner.
  • the defect-tolerant means that even if a noise of a certain level or less occurs during the information processing process, it does not affect the final information processing result.
  • the quantum computer may be composed of a plurality of components for performing various functions.
  • a CPU that processes quantum information
  • a memory that stores quantum information
  • a bus that transfers information between the CPU and the memory.
  • various quantum technologies have different characteristics, and various quantum computer components have different functions and characteristics, and thus, a complex use of various quantum technologies is required to implement a quantum computer.
  • the quantum error correction codes proposed so far have different characteristics. Thus, for processing quantum information for various purposes in a quantum computer, it may be more effective to use multiple quantum error correction codes in combination than to use a single quantum error correction code.
  • a method of interconversion between different quantum error correction codes is necessary.
  • the representative method is code teleportation technology. By using a code transmission technique, quantum information encoded with different quantum error correction codes can be converted to each other.
  • An object of the present invention is to provide a quantum circuit and a method for implementing a logical bell quantum state, which enables mutual conversion between quantum information encoded by different quantum error correction codes.
  • a quantum circuit includes a Hadamard gating circuit for performing Hadamard transforms on a CAT quantum state, first and second logical qubits encoded by first and second quantum error correction codes, respectively;
  • a CNOT gating circuit for performing Controlled-NOT operations on the conversion results of the Hadamard gating circuit, a measuring circuit for measuring the result of the calculation results of the CNOT gating circuit, and the second based on the measurement result of the measuring circuit. It may include a logical bit converter for converting the bits of the logical qubit.
  • a method of operating a quantum circuit configured to implement a logical bell quantum state encoded by different quantum error correction codes includes: performing Hadamard transform on a CAT quantum state; And performing a CNOT (Controlled-NOT) operation on the first and second logical qubits encoded by second quantum error correction codes and the Hadamard transform result, and measuring the CNOT operation result. And converting the bits of the second logical qubit based on the measurement result.
  • CNOT Controlled-NOT
  • a quantum circuit may include first to third quantum circuits.
  • Each quantum circuit comprises a Hadamard gating circuit that performs Hadamard transforms on a CAT quantum state, the Hadamard gating with the first and second logical qubits encoded by first and second quantum error correction codes, respectively.
  • a CNOT gating circuit for performing CNOT (Controlled-NOT) operations on the conversion results of the circuit, and a measurement circuit for measuring the operation result of the CNOT gating circuit.
  • the quantum circuit receives a measurement result of the measurement circuit of each quantum circuit and selects a target quantum state, and the second logic qubit output from the third quantum circuit based on the selection result of the selection circuit. It may include a logic bit converter for converting the bits of.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a quantum circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the quantum circuit shown in FIG. 1 in more detail.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a quantum circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a code transmission cycle using an EPR pair generated by a quantum circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 5 is a schematic view showing a state injection circuit.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a quantum circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the best mode for carrying out the invention.
  • the quantum circuit 100 includes a Hadamard gating circuit 110, a Controlled-NOT gating circuit 120, a measurement unit 130, a parity detector 140, and Logical bit converter 150.
  • the quantum circuit 100 may generate a logical bell quantum state that is essential for code teleportation, which enables interconversion between quantum information encoded by different quantum error correction codes.
  • the physical bell quantum state may mean a quantum state in which two qubits are maximally entangled with each other, and the logical bell quantum state quantums each of the two qubits of the physical bell quantum state. It may mean a quantum state encoded with an error correction code.
  • the heterogeneous logical bell quantum state proposed by the present invention may mean a logical bell quantum state in which two qubits of the physical bell quantum state are encoded using different quantum error correction codes.
  • the quantum circuit 100 may generate an EPR pair (Einstein-Podolsky-Rose pair) as a logical bell quantum state.
  • the quantum circuit 100 may receive a CAT quantum state having a length of nA + nB.
  • the CAT quantum state input to the quantum circuit 100 may be defined as in Equation 1 below.
  • nA is the size of the block of quantum error correction code A
  • nB is the size of the block of quantum error correction code B.
  • the Hadamard gating circuit 110 may be configured to perform Hadamard transformation on the input CAT quantum state.
  • the Hadamard gating circuit 110 may have individual qubits in the CAT quantum state. or of, or Can be configured to convert to an overlapping state of (base states).
  • the Hadamard gating circuit 110 may be configured to perform operations such as Equations 2 and 3 below. In equations (2) and (3), the subscript 'H' above the arrow indicates a Hadamard transform.
  • the quantum circuit 100 may receive quantum error correction codes encoded by different error correction codes.
  • quantum circuit 100 may have a logical qubit (or positive quantum state) encoded by quantum error correction code A. And a logical qubit (or positive quantum state) encoded by the quantum error correction code B Can be input.
  • the CNOT gating circuit 120 outputs the output of the Hadamard gating circuit 110 and the logical qubits. You can perform CNOT operations on.
  • the CNOT gating circuit 120 may receive two qubits and output two output qubits, and may perform an operation of converting the other one according to the state of one of the input qubits.
  • the first qubit of the input qubits may be a condition qubit (C)
  • the second qubit may be a target qubit (T).
  • C condition qubit
  • T target qubit
  • the condition qubit is '0'
  • the CNOT gating circuit 120 may maintain the input of the target qubit as it is.
  • the condition qubit is '1'
  • the CNOT gating circuit 120 may convert the input of the target qubit.
  • Table 1 below shows the truth table of the CNOT gating circuit.
  • a logical qubit And CAT quantum states For some qubits corresponding to the sign A of CNOT operation can be performed in units of qubits, and logical qubits And CAT quantum states The CNOT operation may be performed in units of qubits with respect to the remaining qubits corresponding to the sign B.
  • the measurement unit 130 may measure an operation result of the CNOT gating circuit 120, and output a classical bit (ie, 0 or 1) according to the measured result.
  • Signals output from the measurement unit 130 in the figure may represent a classical bit, each arrow is represented by two lines. This is to distinguish it from an arrow composed of one line representing the flow of qubits.
  • the output of the CNOT gating circuit 120 is , , , And It can be composed of a combination of.
  • the measurement unit 130 may measure the bit value '0' or '1' of the qubit output from the CNOT gating circuit 120.
  • the parity detector 140 may calculate the parity by receiving the output result by the measuring unit 130. For example, if the parity detector 140 determines that the number of '1's of the classical bits received from the measurement unit 130 is odd, then the logical qubits Additional operations by the logical bit converter 150 will be performed for. On the other hand, if it is determined by the parity detector 140 that the number of '1's of the classical bits received from the measurement unit 130 is an even number, the additional operation by the logic bit converter 150 will not be executed.
  • Logical bit converter 150 is logical qubits Bit can be converted. For example, if the number of '1' of the classical bits received from the measuring unit 130 is odd, the logical bit converter 150 may be logical qubits. You can invert the bits of. Equation Physical bit converter Physics cubit Pauli Procession This indicates that an operation (eg, bit-flip) is performed, which may mean the same as executing an X operation.
  • an operation eg, bit-flip
  • the heterogeneous logical bell quantum state in the entangled state (ie, the entangled EPR pair) Can be generated.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the quantum circuit 100 shown in FIG. 1 in more detail.
  • the Hadamard gating circuit 110 may include a plurality of Hadamard gates.
  • the Hadamard gating circuit 110 may include the respective qubits and logical qubits that make up the CAT quantum state. , May include an appropriate number of Hadamard gates to perform a CNOT operation on.
  • the CNOT gating circuit 120 may include a plurality of CNOT gates. Similarly, the CNOT gating circuit 120 each qubit and logical qubits that make up the CAT quantum state. , An appropriate number of CNOT gates may be included such that a CNOT operation is performed on.
  • the measurement unit 130 may measure the result of the output of each CNOT gate constituting the CNOT gating circuit 120. To this end, the measuring unit 130 may comprise measuring elements configured to measure the result of the output of each CNOT gate. For example, each measurement element constituting the measurement unit 130 may measure the calculation result of the CNOT gate and output the result as a classical bit '0' or '1'.
  • Parity detector 140 is a qubit It can be determined whether additional operation is required for. For example, when the number of '1's of the classical bits received from the measuring unit 130 is odd, the parity detector 140 may be logical qubits. Logic bit converter 150 may be controlled such that additional operations are performed on the.
  • the logical bit converter 150 based on the determination result of the parity detector 140, the logical qubits You can invert the bits of.
  • the logical bit converter 150 may be composed of a combination of a plurality of physical bit converters, which combination may vary depending on the quantum error correction code used. Equation Physical bit converter Physics cubit Pauli Procession This indicates that an operation (eg, bit-flip) is performed, which may mean the same as executing an X operation. Only logical qubits Is encoded logically by the quantum error correction code 'B', so that the logical bit converter 150 Has been shown.
  • the quantum circuit described above in FIGS. 1 and 2 is not fault tolerant. That is, the EPR pair output from the quantum circuit 100 always I can't be sure.
  • the fault tolerant quantum circuit will be described in more detail with reference to FIG. 3.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a quantum circuit 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the quantum circuit 200 may be fault tolerant unlike the quantum circuit 100 described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • logical qubits input to the quantum circuit 100 of FIG. 1. , , The CAT quantum state, and the EPR pair itself are known quantum states.
  • logical qubits input to the quantum circuit 100 If there is an error in the and quantum states of CAT and the quantum state of the EPR pair output from the quantum circuit 100 is not the desired state, it means that there is an error.
  • logical qubits input to the quantum circuit By correcting the error of or providing a new CAT quantum state input to the quantum circuit, an error-free EPR pair can be generated.
  • the quantum circuit 200 may be generally similar to the configuration of the quantum circuit 100 described with reference to FIGS. 1 and 2. However, the quantum circuit 200 is composed of a multi-stage.
  • the quantum circuit 200 may include a plurality of quantum circuits 210, 220, and 230.
  • Quantum circuit 200 may include quantum error correction circuits (QEC) 212, 214, 222, 224, 232, 234, 252.
  • QEC quantum error correction circuits
  • the quantum circuit 200 receives parity from the quantum circuits 210, 220, and 230, respectively, and logical qubits are received according to the received parity. It may include a selection circuit 240 for determining whether to perform an additional operation for.
  • the quantum circuit 200 has a logical qubit in accordance with the determination result of the selection circuit 240.
  • bit converter 250 to perform additional operations on the.
  • Each of the quantum circuits 210, 220, 230 includes the Hadamard gating circuit 110, the CNOT gating circuit 120, the measurement unit 130, and the parity detector 140 described above with reference to FIGS. 1 or 2. It may include. However, each of the quantum circuits 210, 220, and 230 may not include the logic bit converter 150 illustrated in FIG. 1 or 2.
  • the first quantum circuit 210 is logical qubits , And receiving the CAT quantum state to perform a series of operations such as Hadamard transform, CNOT gating operation, measurement, parity calculation. This has been described above with reference to FIGS. 1 and 2, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • Parity 1 output from the first quantum circuit 210 may be transferred to the selection circuit 240. Although parity 1 is shown as being conveyed to the second quantum circuit 220 in the figure, this is for clarity / simplification of the figure.
  • Logical qubits (indicated by a and b in the drawing) output from the first quantum circuit 210 may be error free or error free. Accordingly, the quantum error correction circuits 212 and 214 may perform quantum error correction on logical qubits (indicated by a and b in the drawing) output from the first quantum circuit 210. The quantum state of the logical qubits can be stabilized by the quantum error correction operation.
  • the second quantum circuit 220 receives logical qubits (indicated by c and d in the figure) and CAT quantum state from the quantum error correction circuits 212 and 214 to perform Hadamard transform, CNOT gating operation, measurement, parity You can perform a series of operations such as calculations.
  • Parity 2 output from the second quantum circuit 220 may be transferred to the selection circuit 240. Although parity 2 is shown in the figure as being conveyed to the third quantum circuit 230, this is for clarity / simplification of the figure.
  • the logical qubits (indicated by e and f in the drawing) output from the second quantum circuit 220 may be error free or error free. Accordingly, the quantum error correction circuits 222 and 224 may perform quantum error correction on logical qubits (indicated by e and f in the drawing) output from the second quantum circuit 220. The quantum state of the logical qubits can be stabilized by the quantum error correction operation.
  • the third quantum circuit 230 receives logical qubits (indicated by g and h in the figure) and CAT quantum state from the quantum error correction circuits 222 and 224 to perform Hadamard transform, CNOT gating operation, measurement, parity You can perform a series of operations such as calculations.
  • Parity 3 output from the third quantum circuit 230 may be transferred to the selection circuit 240.
  • Logical qubits (indicated by i and j in the drawing) output from the third quantum circuit 230 may be error free or error free.
  • the quantum error correction circuits 232 and 234 may perform quantum error correction on the logical qubits (indicated by i and j in the drawing) output from the third quantum circuit 230.
  • the quantum state of the logical qubits can be stabilized by the quantum error correction operation.
  • the selection circuit 240 may select a desired state (ie, a target quantum state) having an error-free quantum state with reference to parity 1, parity 2, and parity 3 received from the quantum circuits 210, 220, 230, respectively. have. For example, if parity 1, parity 2, and parity 3 coincide with each other, this may mean that there is no error in the operation result by each of the quantum circuits 210, 220, and 230. On the other hand, if two of the parity 1, parity 2, and parity 3 match, and the other one is different, it means that there is no error in the operation operation by the two quantum circuits that output two parities having the same value. can do. That is, an appropriate parity value may be selected by such a majority voting principle.
  • the logical bit converter 250 may perform additional operations. However, whether to perform the additional operation may depend on the selected parity value, which has been described in detail with reference to FIGS. 1 and 2, and thus will be omitted.
  • the logic bit converter 250 may invert the bits of the logical qubits (indicated by i in the drawing) output from the quantum error correction circuit 234.
  • the logically inverted logical qubits (indicated by m in the figure) may be passed to quantum error correction circuit 252.
  • the quantum error correction circuit 252 may perform quantum error correction on a logical qubit (indicated by m in the drawing) output from the logic bit converter 250, and as a result, the quantum state of the logical qubit may be stabilized. .
  • the logical qubits output from the quantum error correction circuits 232 and 252 are fault tolerant logical bell quantum states (ie, entangled EPR pairs). Can be.
  • the code transmission circuit 300 includes a CNOT gate 310, a Hadamard gate 320, a first measurement unit 330, a second measurement unit 340, a first logic bit converter 350, and a second logic bit. It may include a transducer 360.
  • the code transmission circuit 300 is a quantum error correction code A encoded quantum information Quantum error correction coded B coded quantum information Can be converted to
  • the code transmission circuit 300 outputs an EPR pair output from FIGS. And quantum information You can perform CNOT operations on.
  • Hadamard gate 320 receives the received quantum information Hadamard transform can be performed on.
  • the Hadamard transform will be performed according to Equations 2 and 3 described above.
  • the first measurement unit 330 may measure the output result of the Hadamard gate 320. For example, when the number of the classical bits '1' is odd among the output results of the Hadamard gate 320, the first measurement unit 330 may output the logical qubit '1'. On the other hand, when the number of classical bits '1' is an even number among the output results of the Hadamard gate 320, the first measurement unit 330 will output a logical qubit '0'.
  • the second measurement unit 340 may measure the output result of the CNOT gate 310. For example, when the number of the classical bits '1' is odd in the output result of the CNOT gate 310, the second measurement unit 340 may output the logical qubit '1'. On the other hand, when the number of the classical bits '1' is an even number among the output results of the CNOT gate 310, the second measurement unit 340 will output the logical qubit '0'.
  • the first logical bit converter 350 may perform an additional operation depending on the output result from the second measurement unit 340. For example, when the logical qubit output from the second measurement unit 340 is '1', the first logical bit converter 350 is an EPR pair. A logical bit transform operation may be performed on the logical qubit corresponding to the sign B of ⁇ . This may be similar to the operation of the logical bit converter 150 described with reference to FIGS. 1 and 2, or the operation of the logical bit converter 250 described with reference to FIG. 3.
  • the second logical bit converter 360 may perform an additional operation depending on the output result from the first measurement unit 330. For example, when the logical qubit output from the first measurement unit 330 is '1', the second logical bit converter 360 performs a logical bit conversion operation on the output result of the first logical bit converter 350. Can be done.
  • quantum information encoded with an error correction code B from the second logical bit converter 360 May be output.
  • the state injection circuit 400 includes a first CNOT gate 410, a decoder 420, a second CNOT gate 430, a Hadamard gate 440, a first measurement unit 450, and a second measurement unit 460. , A first logical bit converter 470, and a second logical bit converter 480.
  • the first CNOT gate 410 is logical qubits And You can perform CNOT operations on.
  • Decoder 420 is logical qubits Decode the logical qubit of the recursive L Can be generated.
  • the second CNOT gate 430 is a quantum information And logical qubits You can perform CNOT operations on.
  • Hadamard gate 440 is a quantum information Hadamard transform can be performed on.
  • the first measurement unit 450 can measure the logical bit value of the output of the Hadamard gate 440. For example, when the number of the classical bits '1' is odd among the output results of the Hadamard gate 440, the first measurement unit 450 may output the logical qubit '1'.
  • the second measurement unit 460 can measure the logical bit value of the output of the second CNOT gate 430. For example, when the number of the classical bits '1' is odd among the output results of the second CNOT gate 430, the second measuring unit 460 may output the logical qubit '1'.
  • the first logical bit converter 470 may perform additional operations depending on the output result from the first measurement unit 450. For example, when the logical qubit output from the first measurement unit 450 is '1', the first logical bit converter 470 may perform logical bit conversion on the third logical qubit of the drawing. This may be similar to the operation of the logical bit converter 150 described with reference to FIGS. 1 and 2, or the operation of the logical bit converter 250 described with reference to FIG. 3.
  • the second logical bit converter 480 may perform additional computations depending on the output result from the second measurement unit 460. For example, when the logical qubit output from the second measurement unit 460 is '1', the second logical bit converter 480 performs logical bit conversion on the output result of the first logical bit converter 470. can do.
  • Quantum circuit 500 may implement heterogeneous logical bell quantum states, encoded in any recursive step (ie, n steps).
  • the quantum circuit 500 may include a plurality of state injection circuits 511 to 51m and 521 to 52m.
  • the operation of each of the state injection circuits 511 to 51m and 521 to 52m is substantially the same as described above with reference to 5. Therefore, duplicate descriptions will be omitted.
  • State injection circuits 511-51m are recursive one-step quantum information encoded with quantum error correction code A. Quantum information of recursive n steps It can be configured to convert to.
  • state injection circuits 521-52m are recursive one-step quantum information encoded with quantum error correction code B. Quantum information of recursive n steps It can be configured to convert to.
  • a general purpose quantum information processing device eg, a quantum computer, etc.
  • a quantum computer performs various functions, it will consist of a plurality of components. Therefore, by using the quantum code conversion technology according to an embodiment of the present invention, it will be easier to implement a general-purpose quantum information processing device.
  • the above description is specific examples for practicing the present invention.
  • the present invention will include not only the embodiments described above but also embodiments that can be easily changed or simply changed in design.
  • the present invention will also include techniques that can be easily modified and implemented using the embodiments described above.
  • the present invention can be used for quantum circuits.

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Abstract

The present invention relates to a quantum circuit for implementing a logical Bell quantum state encoded by two different quantum error correction codes. A quantum circuit of the present invention may comprise: a Hadamard gating circuit for performing Hadamard conversions for CAT quantum states; a CNOT gating circuit for performing CNOT operations for conversion results of the Hadamard gating circuit and first and second logical qubits; a measuring circuit for measuring operation results of the CNOT gating circuit; and a logical bit converter for converting a bit of a second logical qubit on the basis of measurement result of the measuring circuit.

Description

서로 다른 두 개의 양자 오류 정정 부호로 인코딩된 논리적 벨 양자 상태를 구현하는 양자 회로 및 방법Quantum circuitry and method for implementing logical bell quantum states encoded with two different quantum error correction codes
본 발명은 양자 컴퓨팅에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 서로 다른 두 개의 양자 오류 정정 부호로 인코딩된 논리적 벨 양자 상태를 구현하는 양자 회로 및 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to quantum computing, and more particularly, to quantum circuits and methods for implementing logical bell quantum states encoded with two different quantum error correction codes.
양자 역학의 원리를 이용하여 '0'과 '1'의 중첩으로 표현되는 큐빗을 기반으로 하는 양자 컴퓨터는, '0' 또는 '1'만 표현할 수 있는 비트들을 다루는 디지털 컴퓨터보다 훨씬 빠른 연산을 수행하는 것으로 알려져 있다. 양자 컴퓨터의 우수한 성능이 보이는 대표적인 예로써, 소인수 분해 및 양자 역학 시뮬레이션 등이 있다. 따라서, 양자 역학을 이용하는 양자 컴퓨터를 구현하기 위해 많은 시도들이 있었으나, 양자 컴퓨터를 실제적으로 구현하기 위해서는 많은 어려움이 있다. 그 대표적인 예로써, 양자 노이즈 문제가 있다. 양자 정보는 미세한 양자 노이즈에 의해서도 양자 정보가 원래 가지고 있는 고유의 상태를 쉽게 잃어버릴 수 있다. 그러므로, 양자 정보를 보호하기 위해 양자 오류 정정 부호를 이용한 결함 허용적 양자 오류 정정이 이용된다.Using the principle of quantum mechanics, quantum computers based on qubits represented by superpositions of '0' and '1' perform much faster operations than digital computers that handle bits that can only represent '0' or '1'. It is known. Representative examples of excellent performance of quantum computers include prime factorization and quantum mechanical simulation. Therefore, there have been many attempts to implement quantum computers using quantum mechanics, but there are many difficulties in actually implementing quantum computers. As a representative example, there is a quantum noise problem. Quantum information can easily lose the original state of quantum information even by fine quantum noise. Therefore, fault-tolerant quantum error correction using quantum error correction code is used to protect quantum information.
결함 허용적 양자 정보처리라 함은, 양자 오류 정정 부호를 이용하여 양자 정보를 인코딩한 후, 결함 허용적으로 동작하는 양자 연산자를 이용하여 양자 정보를 조작하는 것을 일컫는다. 여기서 결함 허용적이란 정보 처리 과정 중에 일정한 수준 이하의 노이즈가 발생하더라도, 최종 정보 처리 결과에는 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 양자 오류 정정 부호를 기반으로 하는 결함 허용적 양자 정보 처리를 이용함으로써, 노이즈로부터 양자 정보를 보호할 수 있다.Fault-tolerant quantum information processing refers to an operation of encoding quantum information using a quantum error correction code and then manipulating the quantum information using a quantum operator operating in a fault tolerant manner. The defect-tolerant means that even if a noise of a certain level or less occurs during the information processing process, it does not affect the final information processing result. By using defect-tolerant quantum information processing based on quantum error correcting codes, it is possible to protect quantum information from noise.
한편, 양자 컴퓨터는 다양한 기능을 수행하는 복수의 컴포넌트들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 양자 정보를 처리하는 CPU, 양자 정보를 저장하는 메모리, 및 CPU와 메모리 사이에서 정보를 전달하는 버스 등이 있다. 현재까지 알려진 바에 의하면, 다양한 양자 기술들은 각각 서로 다른 특성을 가지고 있고, 다양한 양자 컴퓨터 컴포넌트들은 서로 다른 기능 및 특성을 가지고 있으므로, 양자 컴퓨터를 구현하기 위해서는 다양한 양자 기술들의 복합적 사용이 필요하다. On the other hand, the quantum computer may be composed of a plurality of components for performing various functions. For example, there is a CPU that processes quantum information, a memory that stores quantum information, and a bus that transfers information between the CPU and the memory. As known to date, various quantum technologies have different characteristics, and various quantum computer components have different functions and characteristics, and thus, a complex use of various quantum technologies is required to implement a quantum computer.
뿐만 아니라, 지금까지 제안된 양자 오류 정정 부호들은 서로 다른 특성을 가지고 있다. 따라서, 양자 컴퓨터 내에서 다양한 목적의 양자 정보 처리를 위해서, 단일의 양자 오류 정정 부호를 이용하는 것보다 다수의 양자 오류 정정 부호들을 복합적으로 이용하는 것이 더욱 효과적일 수 있다. 다양한 양자 오류 정정 부호들을 사용하기 위해서, 서로 다른 양자 오류 정정 부호들 간의 상호 변환 방법이 필수적이다. 그 대표적인 방법이 부호 전송 (Code Teleportation) 기술이다. 부호 전송 기술을 이용함으로써, 서로 다른 양자 오류 정정 부호로 인코딩된 양자 정보들을 서로 변환시킬 수 있다. In addition, the quantum error correction codes proposed so far have different characteristics. Thus, for processing quantum information for various purposes in a quantum computer, it may be more effective to use multiple quantum error correction codes in combination than to use a single quantum error correction code. In order to use various quantum error correction codes, a method of interconversion between different quantum error correction codes is necessary. The representative method is code teleportation technology. By using a code transmission technique, quantum information encoded with different quantum error correction codes can be converted to each other.
지금까지 부호 전송 기술을 이용한 여러 양자 정보 처리 프로토콜들이 제안되었다. 부호 전송 기술을 이용하기 위해서, 변환을 하고자 하는 두 개의 서로 다른 양자 오류 정정 부호들로 인코딩된 이종적인 논리적 벨 양자 상태 (heterogeneously encoded logical Bell state)가 필요하다. 그러나, 이종적인 논리적 벨 양자 상태를 구현하는 구체적인 방법에 대해서 논의된 바가 극히 드물다. 따라서, 부호 전송 기술을 실질적으로 사용하기 위해, 이종적인 논리적 벨 양자 상태를 구현하는 것은 매우 중요하다.Many quantum information processing protocols using code transmission techniques have been proposed. In order to use the code transmission technique, a heterogeneously encoded logical bell state encoded with two different quantum error correction codes to be transformed is required. However, very few discussions have been made on the specific ways to implement heterogeneous logical bell quantum states. Therefore, in order to use the code transmission technique practically, it is very important to implement heterogeneous logical bell quantum states.
본 발명의 목적은 서로 다른 양자 오류 정정 부호에 의해 인코딩 된 양자 정보들 간의 상호 변환을 가능하게 하는, 논리적 벨 양자 상태를 구현하는 양자 회로 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a quantum circuit and a method for implementing a logical bell quantum state, which enables mutual conversion between quantum information encoded by different quantum error correction codes.
본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로는 CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환들을 수행하는 하다마드 게이팅 회로, 제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 의해 각각 인코딩 된 제 1 및 제 2 논리 큐빗들과 상기 하다마드 게이팅 회로의 변환 결과들에 대해 Controlled-NOT 연산들을 수행하는 CNOT 게이팅 회로, 상기 CNOT 게이팅 회로의 연산 결과들의 결과를 측정하는 측정 회로, 그리고 상기 측정 회로의 측정 결과에 기초하여 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 변환시키는 논리 비트 변환기를 포함할 수 있다.A quantum circuit according to an embodiment of the present invention includes a Hadamard gating circuit for performing Hadamard transforms on a CAT quantum state, first and second logical qubits encoded by first and second quantum error correction codes, respectively; A CNOT gating circuit for performing Controlled-NOT operations on the conversion results of the Hadamard gating circuit, a measuring circuit for measuring the result of the calculation results of the CNOT gating circuit, and the second based on the measurement result of the measuring circuit. It may include a logical bit converter for converting the bits of the logical qubit.
본 발명의 실시 예에 따른, 서로 다른 양자 오류 정정 부호들에 의해 인코딩 된 논리적 벨 양자 상태를 구현하도록 구성되는 양자 회로의 동작 방법은, CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환을 수행하는 단계, 제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 의해 각각 인코딩 된 제 1 및 제 2 논리 큐빗들과 상기 하다마드 변환 결과에 대해 CNOT (Controlled-NOT) 연산을 수행하는 단계, 상기 CNOT 연산 결과를 측정하는 단계, 그리고 상기 측정 결과에 기초하여, 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a method of operating a quantum circuit configured to implement a logical bell quantum state encoded by different quantum error correction codes includes: performing Hadamard transform on a CAT quantum state; And performing a CNOT (Controlled-NOT) operation on the first and second logical qubits encoded by second quantum error correction codes and the Hadamard transform result, and measuring the CNOT operation result. And converting the bits of the second logical qubit based on the measurement result.
본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로는 제 1 내지 제 3 양자 회로들을 포함할 수 있다. 각각의 양자 회로는, CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환들을 수행하는 하다마드 게이팅 회로, 제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 의해 각각 인코딩 된 제 1 및 제 2 논리 큐빗들과 상기 하다마드 게이팅 회로의 변환 결과들에 대해 CNOT (Controlled-NOT) 연산들을 수행하는 CNOT 게이팅 회로, 그리고 상기 CNOT 게이팅 회로의 연산 결과를 측정하는 측정 회로를 포함할 수 있다. 상기 양자 회로는 각각의 양자 회로의 상기 측정 회로의 측정 결과를 수신하여 타깃 양자 상태를 선택하는 선택 회로, 및 상기 선택 회로의 선택 결과에 기초하여 상기 제 3 양자 회로로부터 출력되는 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 변환시키는 논리 비트 변환기를 포함할 수 있다.A quantum circuit according to an embodiment of the present invention may include first to third quantum circuits. Each quantum circuit comprises a Hadamard gating circuit that performs Hadamard transforms on a CAT quantum state, the Hadamard gating with the first and second logical qubits encoded by first and second quantum error correction codes, respectively. A CNOT gating circuit for performing CNOT (Controlled-NOT) operations on the conversion results of the circuit, and a measurement circuit for measuring the operation result of the CNOT gating circuit. The quantum circuit receives a measurement result of the measurement circuit of each quantum circuit and selects a target quantum state, and the second logic qubit output from the third quantum circuit based on the selection result of the selection circuit. It may include a logic bit converter for converting the bits of.
본 발명의 실시 예에 의하면, 서로 다른 양자 오류 정정 부호에 의해 인코딩 된 양자 정보들 간의 상호 변환을 가능하게 하는, 논리적 벨 양자 상태를 구현하는 양자 회로 및 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a quantum circuit and a method for implementing a logical bell quantum state, which enables mutual conversion between quantum information encoded by different quantum error correction codes.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로를 개략적으로 보여주는 블록도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a quantum circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 양자 회로의 구성을 좀 더 상세하게 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the quantum circuit shown in FIG. 1 in more detail.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로를 예시적으로 보여주는 블록도이다.3 is a block diagram illustrating a quantum circuit according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로에 의해 생성된 EPR 쌍을 이용하는 부호 전송 회를 개략적으로 보여주는 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating a code transmission cycle using an EPR pair generated by a quantum circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 스테이트 인젝션 회로를 개략적으로 보여주는 도면이다.5 is a schematic view showing a state injection circuit.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로를 예시적으로 보여주는 블록도이다.6 is a block diagram illustrating a quantum circuit according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시를 위한 최선의 형태를 보여주는 도면은 도 1이다.Figure 1 shows the best mode for carrying out the invention.
아래에서는, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.In the following, embodiments of the present invention will be described clearly and in detail, such that those skilled in the art can easily implement the present invention.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로를 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 양자 회로(100)는 하다마드 게이팅 회로(Hadamard gating circuit)(110), CNOT (Controlled-NOT) 게이팅 회로(120), 측정 유닛(130), 패리티 검출기(140), 및 논리 비트 변환기(150)를 포함할 수 있다.1 is a block diagram schematically illustrating a quantum circuit according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the quantum circuit 100 includes a Hadamard gating circuit 110, a Controlled-NOT gating circuit 120, a measurement unit 130, a parity detector 140, and Logical bit converter 150.
양자 회로(100)는, 서로 다른 양자 오류 정정 부호에 의해 인코딩된 양자 정보들 간의 상호 변환을 가능하게 하는 부호 전송(code teleportation)에 핵심적으로 요구되는 논리적 벨 양자 상태를 생성할 수 있다. 예를 들어, 물리적 벨 양자 상태는 두 개의 큐빗(qubit)들이 서로 최대로 얽혀 있는 (maximally entangled) 양자 상태를 의미할 수 있고, 논리적 벨 양자 상태는 물리적 벨 양자 상태의 두 개의 큐빗들 각각을 양자 오류 정정 부호로 인코딩한 양자 상태를 의미할 수 있다. 그리고 본 발명에서 제안하는 이종적인 논리적 벨 양자 상태는 물리적 벨 양자 상태의 두 개의 큐빗들 각각을 서로 다른 양자 오류 정정 부호를 이용하여 인코딩한 논리적 벨 양자 상태를 의미할 수 있다. 예를 들어, 양자 회로(100)는 논리적 벨 양자 상태로써, EPR 쌍(Einstein-Podolsky-Rose pair)을 생성할 수 있다.The quantum circuit 100 may generate a logical bell quantum state that is essential for code teleportation, which enables interconversion between quantum information encoded by different quantum error correction codes. For example, the physical bell quantum state may mean a quantum state in which two qubits are maximally entangled with each other, and the logical bell quantum state quantums each of the two qubits of the physical bell quantum state. It may mean a quantum state encoded with an error correction code. The heterogeneous logical bell quantum state proposed by the present invention may mean a logical bell quantum state in which two qubits of the physical bell quantum state are encoded using different quantum error correction codes. For example, the quantum circuit 100 may generate an EPR pair (Einstein-Podolsky-Rose pair) as a logical bell quantum state.
양자 회로(100)는 nA+nB의 길이를 갖는 CAT 양자 상태를 입력받을 수 있다. 예를 들어, 양자 회로(100)가 입력받는 CAT 양자 상태는 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.The quantum circuit 100 may receive a CAT quantum state having a length of nA + nB. For example, the CAT quantum state input to the quantum circuit 100 may be defined as in Equation 1 below.
Figure PCTKR2017011470-appb-M000001
Figure PCTKR2017011470-appb-M000001
여기서, nA는 양자 오류 정정 부호 A의 블록의 크기이며, nB는 양자 오류 정정 부호 B의 블록의 크기이다.Here, nA is the size of the block of quantum error correction code A, and nB is the size of the block of quantum error correction code B.
하다마드 게이팅 회로(110)는 입력받은 CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환을 실행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하다마드 게이팅 회로(110)는 CAT 양자 상태의 개별 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000001
또는
Figure PCTKR2017011470-appb-I000002
을,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000003
또는
Figure PCTKR2017011470-appb-I000004
(기저 상태)들의 중첩 상태로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하다마드 게이팅 회로(110)는 아래의 수학식 2 및 3과 같은 연산을 수행하도록 구성될 수 있다. 수학식 2 및 3에서, 화살표 위의 첨자 'H'는 하다마드 변환을 나타낸다.
The Hadamard gating circuit 110 may be configured to perform Hadamard transformation on the input CAT quantum state. For example, the Hadamard gating circuit 110 may have individual qubits in the CAT quantum state.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000001
or
Figure PCTKR2017011470-appb-I000002
of,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000003
or
Figure PCTKR2017011470-appb-I000004
Can be configured to convert to an overlapping state of (base states). For example, the Hadamard gating circuit 110 may be configured to perform operations such as Equations 2 and 3 below. In equations (2) and (3), the subscript 'H' above the arrow indicates a Hadamard transform.
Figure PCTKR2017011470-appb-M000002
Figure PCTKR2017011470-appb-M000002
Figure PCTKR2017011470-appb-M000003
Figure PCTKR2017011470-appb-M000003
양자 회로(100)는 서로 다른 오류 정정 부호에 의해 인코딩된 양자 오류 정정 부호를 입력받을 수 있다. 예를 들어, 양자 회로(100)는 양자 오류 정정 부호 A에 의해 인코딩된 논리 큐빗 (또는 양의 양자 상태)
Figure PCTKR2017011470-appb-I000005
과 양자 오류 정정 부호 B에 의해 인코딩된 논리 큐빗 (또는 양의 양자 상태)
Figure PCTKR2017011470-appb-I000006
을 입력받을 수 있다.
The quantum circuit 100 may receive quantum error correction codes encoded by different error correction codes. For example, quantum circuit 100 may have a logical qubit (or positive quantum state) encoded by quantum error correction code A.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000005
And a logical qubit (or positive quantum state) encoded by the quantum error correction code B
Figure PCTKR2017011470-appb-I000006
Can be input.
CNOT 게이팅 회로(120)는 하다마드 게이팅 회로(110)의 출력 결과와 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000007
에 대해 CNOT 연산을 수행할 수 있다. CNOT 게이팅 회로(120)는 두 개의 큐빗들을 입력받아 두 개의 출력 큐빗들을 출력할 수 있으며, 입력 큐빗 중 하나의 상태에 따라 나머지 하나의 상태를 변환시키는 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 입력 큐빗들 중 첫 번째 큐빗은 조건 큐빗(C)일 수 있으며, 두 번째 큐빗은 목표 큐빗(T)일 수 있다. 예를 들어, 조건 큐빗이 '0'인 경우, CNOT 게이팅 회로(120)는 목표 큐빗의 입력을 그대로 유지시킬 수 있다. 반대로, 조건 큐빗이 '1'인 경우, CNOT 게이팅 회로(120)는 목표 큐빗의 입력을 변환시킬 수 있다. 아래의 표 1은 CNOT 게이팅 회로의 진리표를 나타낸다.
The CNOT gating circuit 120 outputs the output of the Hadamard gating circuit 110 and the logical qubits.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000007
You can perform CNOT operations on. The CNOT gating circuit 120 may receive two qubits and output two output qubits, and may perform an operation of converting the other one according to the state of one of the input qubits. For example, the first qubit of the input qubits may be a condition qubit (C), and the second qubit may be a target qubit (T). For example, when the condition qubit is '0', the CNOT gating circuit 120 may maintain the input of the target qubit as it is. Conversely, when the condition qubit is '1', the CNOT gating circuit 120 may convert the input of the target qubit. Table 1 below shows the truth table of the CNOT gating circuit.
입력input 출력Print
CC T T CC TT
00 00 00 00
00 1One 00 1One
1One 00 1One 1One
1One 1One 1 One 00
예를 들어, CNOT 게이팅 회로(120)에 의해, 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000008
과 CAT 양자 상태
Figure PCTKR2017011470-appb-I000009
의 부호 A에 대응하는 일부의 큐빗들에 대해 큐빗 단위로 CNOT 연산이 수행될 수 있으며, 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000010
과 CAT 양자 상태
Figure PCTKR2017011470-appb-I000011
의 부호 B에 대응하는 나머지 큐빗들에 대해 큐빗 단위로 CNOT 연산이 수행될 수 있다.
For example, by the CNOT gating circuit 120, a logical qubit
Figure PCTKR2017011470-appb-I000008
And CAT quantum states
Figure PCTKR2017011470-appb-I000009
For some qubits corresponding to the sign A of CNOT operation can be performed in units of qubits, and logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000010
And CAT quantum states
Figure PCTKR2017011470-appb-I000011
The CNOT operation may be performed in units of qubits with respect to the remaining qubits corresponding to the sign B.
측정 유닛(130)은 CNOT 게이팅 회로(120)의 연산 결과를 측정할 수 있으며, 측정된 결과에 따라 클래시컬 비트(classical bit, 즉, 0 또는 1)를 출력할 수 있다. 도면에 측정 유닛(130)으로부터 출력되는 신호들은 클래시컬 비트를 나타낼 수 있으며, 각각의 화살표는 두 개의 선으로 표시되었다. 이는 큐빗의 흐름을 나타내는 하나의 선으로 구성된 화살표와 구별시키기 위함이다. 예를 들어, CNOT 게이팅 회로(120)는 큐빗 단위로 실행되기 때문에, CNOT 게이팅 회로(120)의 출력은
Figure PCTKR2017011470-appb-I000012
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000013
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000014
, 및
Figure PCTKR2017011470-appb-I000015
의 조합으로 구성될 수 있다.
The measurement unit 130 may measure an operation result of the CNOT gating circuit 120, and output a classical bit (ie, 0 or 1) according to the measured result. Signals output from the measurement unit 130 in the figure may represent a classical bit, each arrow is represented by two lines. This is to distinguish it from an arrow composed of one line representing the flow of qubits. For example, since the CNOT gating circuit 120 is executed in qubits, the output of the CNOT gating circuit 120 is
Figure PCTKR2017011470-appb-I000012
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000013
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000014
, And
Figure PCTKR2017011470-appb-I000015
It can be composed of a combination of.
예를 들어, 측정 유닛(130)은 CNOT 게이팅 회로(120)로부터 출력되는 큐빗의 비트 값 '0' 또는 '1'을 측정할 수 있다.For example, the measurement unit 130 may measure the bit value '0' or '1' of the qubit output from the CNOT gating circuit 120.
패리티 검출기(140)는 측정 유닛(130)에 의한 출력 결과를 수신하여 패리티를 계산할 수 있다. 예를 들어, 패리티 검출기(140)에 의해, 측정 유닛(130)으로부터 수신된 클래시컬 비트들의 '1'의 개수가 홀수라고 판단되면, 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000016
에 대해 논리 비트 변환기(150)에 의한 추가적인 연산이 실행될 것이다. 반면, 패리티 검출기(140)에 의해, 측정 유닛(130)으로부터 수신된 클래시컬 비트들의 '1'의 개수가 짝수라고 판단되면, 논리 비트 변환기(150)에 의한 추가적인 연산을 실행되지 않을 것이다.
The parity detector 140 may calculate the parity by receiving the output result by the measuring unit 130. For example, if the parity detector 140 determines that the number of '1's of the classical bits received from the measurement unit 130 is odd, then the logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000016
Additional operations by the logical bit converter 150 will be performed for. On the other hand, if it is determined by the parity detector 140 that the number of '1's of the classical bits received from the measurement unit 130 is an even number, the additional operation by the logic bit converter 150 will not be executed.
논리 비트 변환기(150)는 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000017
의 비트를 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 측정 유닛(130)으로부터 수신된 클래시컬 비트들의 '1'의 개수가 홀수인 경우, 논리 비트 변환기(150)는 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000018
의 비트를 반전시킬 수 있다. 다음과 같은 수학식
Figure PCTKR2017011470-appb-I000019
에서, 물리 비트 변환기
Figure PCTKR2017011470-appb-I000020
는 물리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000021
에 파울리 행렬
Figure PCTKR2017011470-appb-I000022
을 이용한 연산(예를 들어, bit-flip)을 수행하는 것을 나타내며, 이는 X 연산을 실행하는 것과 같은 의미일 수 있다.
Logical bit converter 150 is logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000017
Bit can be converted. For example, if the number of '1' of the classical bits received from the measuring unit 130 is odd, the logical bit converter 150 may be logical qubits.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000018
You can invert the bits of. Equation
Figure PCTKR2017011470-appb-I000019
Physical bit converter
Figure PCTKR2017011470-appb-I000020
Physics cubit
Figure PCTKR2017011470-appb-I000021
Pauli Procession
Figure PCTKR2017011470-appb-I000022
This indicates that an operation (eg, bit-flip) is performed, which may mean the same as executing an X operation.
논리 비트 변환기(150)에 의한 변환 과정까지 모두 완료되면, 얽힘 상태의 이종적인 논리적 벨 양자 상태(즉, 얽힘 상태의 EPR 쌍)
Figure PCTKR2017011470-appb-I000023
가 생성될 수 있다.
Once the conversion process by logic bit translator 150 is complete, the heterogeneous logical bell quantum state in the entangled state (ie, the entangled EPR pair)
Figure PCTKR2017011470-appb-I000023
Can be generated.
도 2는 도 1에 도시된 양자 회로(100)의 구성을 좀 더 상세하게 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the quantum circuit 100 shown in FIG. 1 in more detail.
하다마드 게이팅 회로(110)는 복수의 하다마드 게이트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하다마드 게이팅 회로(110)는 CAT 양자 상태를 구성하는 각각의 큐빗과 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000024
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000025
에 대해 CNOT 연산이 수행되도록 적절한 수의 하다마드 게이트들을 포함할 수 있다.
The Hadamard gating circuit 110 may include a plurality of Hadamard gates. For example, the Hadamard gating circuit 110 may include the respective qubits and logical qubits that make up the CAT quantum state.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000024
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000025
May include an appropriate number of Hadamard gates to perform a CNOT operation on.
CNOT 게이팅 회로(120)는 복수의 CNOT 게이트들을 포함할 수 있다. 마찬가지로, CNOT 게이팅 회로(120)는 CAT 양자 상태를 구성하는 각각의 큐빗과 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000026
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000027
에 대해 CNOT 연산이 수행되도록 적절한 수의 CNOT 게이트들을 포함할 수 있다.
The CNOT gating circuit 120 may include a plurality of CNOT gates. Similarly, the CNOT gating circuit 120 each qubit and logical qubits that make up the CAT quantum state.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000026
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000027
An appropriate number of CNOT gates may be included such that a CNOT operation is performed on.
측정 유닛(130)은 CNOT 게이팅 회로(120)를 구성하는 각각의 CNOT 게이트의 출력의 결과를 측정할 수 있다. 이를 위해, 측정 유닛(130)은 각각의 CNOT 게이트의 출력의 결과를 측정하도록 구성된 측정 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정 유닛(130)을 구성하는 각각의 측정 소자는, CNOT 게이트의 연산 결과를 측정하여 클래시컬 비트 '0' 또는 '1' 로 출력할 수 있다.The measurement unit 130 may measure the result of the output of each CNOT gate constituting the CNOT gating circuit 120. To this end, the measuring unit 130 may comprise measuring elements configured to measure the result of the output of each CNOT gate. For example, each measurement element constituting the measurement unit 130 may measure the calculation result of the CNOT gate and output the result as a classical bit '0' or '1'.
패리티 검출기(140)는 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000028
에 대해 추가적인 연산이 필요한지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 측정 유닛(130)으로부터 수신된 클래시컬 비트들의 '1'의 개수가 홀수인 경우, 패리티 검출기(140)는 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000029
에 대해 추가적인 연산이 실행되도록, 논리 비트 변환기(150)를 제어할 수 있다.
Parity detector 140 is a qubit
Figure PCTKR2017011470-appb-I000028
It can be determined whether additional operation is required for. For example, when the number of '1's of the classical bits received from the measuring unit 130 is odd, the parity detector 140 may be logical qubits.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000029
Logic bit converter 150 may be controlled such that additional operations are performed on the.
논리 비트 변환기(150)는 패리티 검출기(140)의 판단 결과에 기초하여, 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000030
의 비트를 반전시킬 수 있다. 예를 들어, 논리 비트 변환기(150)는 복수의 물리 비트 변환기의 조합으로 구성될 수 있으며, 그 조합은 사용되는 양자 오류 정정 부호에 따라 다를 수 있다. 다음과 같은 수학식
Figure PCTKR2017011470-appb-I000031
에서, 물리 비트 변환기
Figure PCTKR2017011470-appb-I000032
는 물리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000033
에 파울리 행렬
Figure PCTKR2017011470-appb-I000034
을 이용한 연산(예를 들어, bit-flip)을 수행하는 것을 나타내며, 이는 X 연산을 실행하는 것과 같은 의미일 수 있다. 다만, 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000035
는 양자 오류 정정 부호 'B'에 의해 '논리적으로' 인코딩되었기 때문에, 논리 비트 변환기(150)는
Figure PCTKR2017011470-appb-I000036
로 도시되었다.
The logical bit converter 150 based on the determination result of the parity detector 140, the logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000030
You can invert the bits of. For example, the logical bit converter 150 may be composed of a combination of a plurality of physical bit converters, which combination may vary depending on the quantum error correction code used. Equation
Figure PCTKR2017011470-appb-I000031
Physical bit converter
Figure PCTKR2017011470-appb-I000032
Physics cubit
Figure PCTKR2017011470-appb-I000033
Pauli Procession
Figure PCTKR2017011470-appb-I000034
This indicates that an operation (eg, bit-flip) is performed, which may mean the same as executing an X operation. Only logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000035
Is encoded logically by the quantum error correction code 'B', so that the logical bit converter 150
Figure PCTKR2017011470-appb-I000036
Has been shown.
다만, 앞서 도 1 및 도 2에서 설명된 양자 회로는 결함 허용적이지 않다. 즉, 양자 회로(100)로부터 출력되는 EPR 쌍이 언제나
Figure PCTKR2017011470-appb-I000037
라고 확신할 수는 없다. 결함 허용적 양자 회로에 대해서는 도 3을 통하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.
However, the quantum circuit described above in FIGS. 1 and 2 is not fault tolerant. That is, the EPR pair output from the quantum circuit 100 always
Figure PCTKR2017011470-appb-I000037
I can't be sure. The fault tolerant quantum circuit will be described in more detail with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로(200)를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 양자 회로(200)는 도 1 및 도 2를 통하여 설명된 양자 회로(100)와는 달리 결함 허용적일 수 있다. 예를 들어, 도 1의 양자 회로(100)로 입력되는 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000038
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000039
, CAT 양자 상태, 및 EPR 쌍 그 자체는 알려진 양자 상태이다. 다만, 양자 회로(100)로 입력되는 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000040
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000041
과 CAT 양자 상태에 오류가 있거나, 또는 양자 회로(100)로부터 출력되는 EPR 쌍의 양자 상태가 원하는 상태가 아니라면, 이는 오류가 있다는 의미이다. 따라서, 이 경우 양자 회로로 입력되는 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000042
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000043
의 오류를 수정하거나, 양자 회로로 입력되는 CAT 양자 상태를 새로이 제공하면, 오류 없는 EPR 쌍을 생성할 수 있다.
3 is a block diagram illustrating a quantum circuit 200 according to an embodiment of the present invention. The quantum circuit 200 may be fault tolerant unlike the quantum circuit 100 described with reference to FIGS. 1 and 2. For example, logical qubits input to the quantum circuit 100 of FIG. 1.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000038
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000039
, The CAT quantum state, and the EPR pair itself are known quantum states. However, logical qubits input to the quantum circuit 100
Figure PCTKR2017011470-appb-I000040
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000041
If there is an error in the and quantum states of CAT and the quantum state of the EPR pair output from the quantum circuit 100 is not the desired state, it means that there is an error. Thus, in this case logical qubits input to the quantum circuit
Figure PCTKR2017011470-appb-I000042
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000043
By correcting the error of or providing a new CAT quantum state input to the quantum circuit, an error-free EPR pair can be generated.
양자 회로(200)는 도 1 및 도 2를 통하여 설명된 양자 회로(100)의 구성과 대체로 유사할 수 있다. 다만, 양자 회로(200)는 멀티-스테이지로 구성되어 있다. 예를 들어, 양자 회로(200)는 복수의 양자 회로들(210, 220, 230)을 포함할 수 있다. 양자 회로(200)는 양자 오류 정정 회로들(QEC)(212, 214, 222, 224, 232, 234, 252)을 포함할 수 있다. 양자 회로(200)는 양자 회로들(210, 220, 230)로부터 패리티를 각각 수신하고, 수신된 패리티에 따라 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000044
에 대해 추가 연산을 실행할지 여부를 판단하는 선택 회로(240)를 포함할 수 있다. 양자 회로(200)는 선택 회로(240)의 판단 결과에 따라 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000045
에 대해 추가 연산을 실행하는 비트 변환기(250)를 포함할 수 있다.
The quantum circuit 200 may be generally similar to the configuration of the quantum circuit 100 described with reference to FIGS. 1 and 2. However, the quantum circuit 200 is composed of a multi-stage. For example, the quantum circuit 200 may include a plurality of quantum circuits 210, 220, and 230. Quantum circuit 200 may include quantum error correction circuits (QEC) 212, 214, 222, 224, 232, 234, 252. The quantum circuit 200 receives parity from the quantum circuits 210, 220, and 230, respectively, and logical qubits are received according to the received parity.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000044
It may include a selection circuit 240 for determining whether to perform an additional operation for. The quantum circuit 200 has a logical qubit in accordance with the determination result of the selection circuit 240.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000045
And bit converter 250 to perform additional operations on the.
양자 회로들(210, 220, 230) 각각은 앞서 도 1 또는 도 2를 통하여 설명된 하다마드 게이팅 회로(110), CNOT 게이팅 회로(120), 측정 유닛(130), 및 패리티 검출기(140)를 포함할 수 있다. 다만, 양자 회로들(210, 220, 230) 각각은 도 1 또는 도 2에 도시된 논리 비트 변환기(150)는 포함하지 않을 수 있다.Each of the quantum circuits 210, 220, 230 includes the Hadamard gating circuit 110, the CNOT gating circuit 120, the measurement unit 130, and the parity detector 140 described above with reference to FIGS. 1 or 2. It may include. However, each of the quantum circuits 210, 220, and 230 may not include the logic bit converter 150 illustrated in FIG. 1 or 2.
제 1 양자 회로(210)는 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000046
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000047
및 CAT 양자 상태를 수신하여, 하다마드 변환, CNOT 게이팅 연산, 측정, 패리티 계산과 같은 일련의 동작들을 수행할 수 있다. 이에 대해서는 앞서 도 1 및 도 2를 통하여 설명하였으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
The first quantum circuit 210 is logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000046
,
Figure PCTKR2017011470-appb-I000047
And receiving the CAT quantum state to perform a series of operations such as Hadamard transform, CNOT gating operation, measurement, parity calculation. This has been described above with reference to FIGS. 1 and 2, and thus a detailed description thereof will be omitted.
제 1 양자 회로(210)로부터 출력되는 패리티 1은 선택 회로(240)로 전달될 수 있다. 비록 도면에는 패리티 1이 제 2 양자 회로(220)로 전달되는 것으로 도시되었으나, 이는 도면의 명확화/간략화를 위한 것이다. 제 1 양자 회로(210)로부터 출력되는 논리 큐빗들(도면에 a, b로 표시됨)은 오류가 없을 수도 있고 오류가 있을 수도 있다. 따라서, 양자 오류 정정 회로들(212, 214)은 제 1 양자 회로(210)로부터 출력되는 논리 큐빗들(도면에 a, b로 표시됨)에 대해 양자 오류 정정을 수행할 수 있다. 양자 오류 정정 동작에 의해 논리 큐빗들의 양자 상태가 안정화될 수 있다. Parity 1 output from the first quantum circuit 210 may be transferred to the selection circuit 240. Although parity 1 is shown as being conveyed to the second quantum circuit 220 in the figure, this is for clarity / simplification of the figure. Logical qubits (indicated by a and b in the drawing) output from the first quantum circuit 210 may be error free or error free. Accordingly, the quantum error correction circuits 212 and 214 may perform quantum error correction on logical qubits (indicated by a and b in the drawing) output from the first quantum circuit 210. The quantum state of the logical qubits can be stabilized by the quantum error correction operation.
제 2 양자 회로(220)는 양자 오류 정정 회로들(212, 214)로부터 논리 큐빗들(도면에 c, d로 표시됨) 및 CAT 양자 상태를 수신하여, 하다마드 변환, CNOT 게이팅 연산, 측정, 패리티 계산과 같은 일련의 동작들을 수행할 수 있다.The second quantum circuit 220 receives logical qubits (indicated by c and d in the figure) and CAT quantum state from the quantum error correction circuits 212 and 214 to perform Hadamard transform, CNOT gating operation, measurement, parity You can perform a series of operations such as calculations.
제 2 양자 회로(220)로부터 출력되는 패리티 2는 선택 회로(240)로 전달될 수 있다. 비록 도면에는 패리티 2가 제 3 양자 회로(230)로 전달되는 것으로 도시되었으나, 이는 도면의 명확화/간략화를 위한 것이다. 제 2 양자 회로(220)로부터 출력되는 논리 큐빗들(도면에 e, f로 표시됨)은 오류가 없을 수도 있고 오류가 있을 수도 있다. 따라서, 양자 오류 정정 회로들(222, 224)은 제 2 양자 회로(220)로부터 출력되는 논리 큐빗들(도면에 e, f로 표시됨)에 대해 양자 오류 정정을 수행할 수 있다. 양자 오류 정정 동작에 의해 논리 큐빗들의 양자 상태가 안정화될 수 있다. Parity 2 output from the second quantum circuit 220 may be transferred to the selection circuit 240. Although parity 2 is shown in the figure as being conveyed to the third quantum circuit 230, this is for clarity / simplification of the figure. The logical qubits (indicated by e and f in the drawing) output from the second quantum circuit 220 may be error free or error free. Accordingly, the quantum error correction circuits 222 and 224 may perform quantum error correction on logical qubits (indicated by e and f in the drawing) output from the second quantum circuit 220. The quantum state of the logical qubits can be stabilized by the quantum error correction operation.
제 3 양자 회로(230)는 양자 오류 정정 회로들(222, 224)로부터 논리 큐빗들(도면에 g, h로 표시됨) 및 CAT 양자 상태를 수신하여, 하다마드 변환, CNOT 게이팅 연산, 측정, 패리티 계산과 같은 일련의 동작들을 수행할 수 있다.The third quantum circuit 230 receives logical qubits (indicated by g and h in the figure) and CAT quantum state from the quantum error correction circuits 222 and 224 to perform Hadamard transform, CNOT gating operation, measurement, parity You can perform a series of operations such as calculations.
제 3 양자 회로(230)로부터 출력되는 패리티 3은 선택 회로(240)로 전달될 수 있다. 제 3 양자 회로(230)로부터 출력되는 논리 큐빗들(도면에 i, j로 표시됨)은 오류가 없을 수도 있고 오류가 있을 수도 있다. 따라서, 양자 오류 정정 회로들(232, 234)은 제 3 양자 회로(230)로부터 출력되는 논리 큐빗들(도면에 i, j로 표시됨)에 대해 양자 오류 정정을 수행할 수 있다. 양자 오류 정정 동작에 의해 논리 큐빗들의 양자 상태가 안정화될 수 있다. Parity 3 output from the third quantum circuit 230 may be transferred to the selection circuit 240. Logical qubits (indicated by i and j in the drawing) output from the third quantum circuit 230 may be error free or error free. Accordingly, the quantum error correction circuits 232 and 234 may perform quantum error correction on the logical qubits (indicated by i and j in the drawing) output from the third quantum circuit 230. The quantum state of the logical qubits can be stabilized by the quantum error correction operation.
선택 회로(240)는 양자 회로들(210, 220, 230)로부터 각각 수신된 패리티 1, 패리티 2, 및 패리티 3을 참조하여 에러 없는 양자 상태를 갖는 원하는 상태(즉, 타깃 양자 상태)를 선택할 수 있다. 예컨대, 패리티 1, 패리티 2, 및 패리티 3가 서로 일치한다면, 이는 양자 회로들(210, 220, 230) 각각에 의한 연산 결과에 오류가 없음을 의미할 수 있다. 반면, 패리티 1, 패리티 2, 및 패리티 3 중 두 개가 일치하고, 나머지 하나가 다르다면, 서로 일치하는 값을 갖는 두 개의 패리티들을 출력한 두 개의 양자 회로들에 의한 연산 동작에 오류가 없다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 이와 같은 다수결의 원칙(majority voting)에 의해 적절한 패리티 값이 선택될 수 있다.The selection circuit 240 may select a desired state (ie, a target quantum state) having an error-free quantum state with reference to parity 1, parity 2, and parity 3 received from the quantum circuits 210, 220, 230, respectively. have. For example, if parity 1, parity 2, and parity 3 coincide with each other, this may mean that there is no error in the operation result by each of the quantum circuits 210, 220, and 230. On the other hand, if two of the parity 1, parity 2, and parity 3 match, and the other one is different, it means that there is no error in the operation operation by the two quantum circuits that output two parities having the same value. can do. That is, an appropriate parity value may be selected by such a majority voting principle.
선택 회로(240)에 의해 적절한 패리티 값이 선택되면, 논리 비트 변환기(250)는 추가적인 연산을 실행할 수 있다. 다만, 추가적인 연산의 실행 여부는 선택된 패리티 값에 의존할 수 있으며, 이는 앞서 도 1 및 도 2를 통하여 상세하게 설명하였으므로, 생략하기로 한다.Once the appropriate parity value is selected by the selection circuit 240, the logical bit converter 250 may perform additional operations. However, whether to perform the additional operation may depend on the selected parity value, which has been described in detail with reference to FIGS. 1 and 2, and thus will be omitted.
논리 비트 변환기(250)는 양자 오류 정정 회로(234)로부터 출력되는 논리 큐빗(도면에 i로 표시됨)의 비트를 반전시킬 수 있다. 비트가 반전된 논리 큐빗(도면에 m으로 표시됨)은 양자 오류 정정 회로(252)로 전달될 수 있다.The logic bit converter 250 may invert the bits of the logical qubits (indicated by i in the drawing) output from the quantum error correction circuit 234. The logically inverted logical qubits (indicated by m in the figure) may be passed to quantum error correction circuit 252.
양자 오류 정정 회로(252)는 논리 비트 변환기(250)로부터 출력되는 논리 큐빗(도면에 m으로 표시됨)에 대해 양자 오류 정정을 수행할 수 있으며, 그 결과, 논리 큐빗의 양자 상태가 안정화될 수 있다.The quantum error correction circuit 252 may perform quantum error correction on a logical qubit (indicated by m in the drawing) output from the logic bit converter 250, and as a result, the quantum state of the logical qubit may be stabilized. .
결과적으로, 양자 오류 정정 회로들(232, 252)로부터 출력되는 논리 큐빗들은 결함 허용적인 논리적 벨 양자 상태(즉, 얽힘 상태의 EPR 쌍)
Figure PCTKR2017011470-appb-I000048
일 수 있다.
As a result, the logical qubits output from the quantum error correction circuits 232 and 252 are fault tolerant logical bell quantum states (ie, entangled EPR pairs).
Figure PCTKR2017011470-appb-I000048
Can be.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로에 의해 생성된 EPR 쌍을 이용하는 부호 전송 회를 개략적으로 보여주는 도면이다. 부호 전송 회로(300)는 CNOT 게이트(310), 하다마드 게이트(320), 제 1 측정 유닛(330), 제 2 측정 유닛(340), 제 1 논리 비트 변환기(350), 및 제 2 논리 비트 변환기(360)를 포함할 수 있다.4 is a diagram schematically illustrating a code transmission cycle using an EPR pair generated by a quantum circuit according to an exemplary embodiment of the present invention. The code transmission circuit 300 includes a CNOT gate 310, a Hadamard gate 320, a first measurement unit 330, a second measurement unit 340, a first logic bit converter 350, and a second logic bit. It may include a transducer 360.
부호 전송 회로(300)는 양자 오류 정정 부호 A로 인코딩 된 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000049
를 양자 오류 정정 부호 B로 인코딩 된 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000050
로 변환시킬 수 있다.
The code transmission circuit 300 is a quantum error correction code A encoded quantum information
Figure PCTKR2017011470-appb-I000049
Quantum error correction coded B coded quantum information
Figure PCTKR2017011470-appb-I000050
Can be converted to
우선, 부호 전송 회로(300)는 도 1 내지 도 3으로부터 출력된 EPR 쌍
Figure PCTKR2017011470-appb-I000051
과 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000052
에 대해 CNOT 연산을 수행할 수 있다.
First, the code transmission circuit 300 outputs an EPR pair output from FIGS.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000051
And quantum information
Figure PCTKR2017011470-appb-I000052
You can perform CNOT operations on.
하다마드 게이트(320)는 수신된 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000053
에 대해 하다마드 변환을 수행할 수 있다. 하다마드 변환은 앞서 설명된 수학식 2 및 3에 따라 실행될 것이다.
Hadamard gate 320 receives the received quantum information
Figure PCTKR2017011470-appb-I000053
Hadamard transform can be performed on. The Hadamard transform will be performed according to Equations 2 and 3 described above.
제 1 측정 유닛(330)은 하다마드 게이트(320)의 출력 결과를 측정할 수 있다. 예를 들어, 하다마드 게이트(320)의 출력 결과 중, 클래시컬 비트 '1'의 개수가 홀수인 경우, 제 1 측정 유닛(330)은 논리적 큐빗 '1'을 출력할 것이다. 반면, 하다마드 게이트(320)의 출력 결과 중, 클래시컬 비트 '1'의 개수가 짝수인 경우, 제 1 측정 유닛(330)은 논리적 큐빗 '0'을 출력할 것이다.The first measurement unit 330 may measure the output result of the Hadamard gate 320. For example, when the number of the classical bits '1' is odd among the output results of the Hadamard gate 320, the first measurement unit 330 may output the logical qubit '1'. On the other hand, when the number of classical bits '1' is an even number among the output results of the Hadamard gate 320, the first measurement unit 330 will output a logical qubit '0'.
제 2 측정 유닛(340)은 CNOT 게이트(310)의 출력 결과를 측정할 수 있다. 예를 들어, CNOT 게이트(310)의 출력 결과 중, 클래시컬 비트 '1'의 개수가 홀수인 경우, 제 2 측정 유닛(340)은 논리적 큐빗 '1'을 출력할 것이다. 반면, CNOT 게이트(310)의 출력 결과 중, 클래시컬 비트 '1'의 개수가 짝수인 경우, 제 2 측정 유닛(340)은 논리적 큐빗 '0'을 출력할 것이다.The second measurement unit 340 may measure the output result of the CNOT gate 310. For example, when the number of the classical bits '1' is odd in the output result of the CNOT gate 310, the second measurement unit 340 may output the logical qubit '1'. On the other hand, when the number of the classical bits '1' is an even number among the output results of the CNOT gate 310, the second measurement unit 340 will output the logical qubit '0'.
제 1 논리 비트 변환기(350)는 제 2 측정 유닛(340)으로부터의 출력 결과에 의존하여 추가적인 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제 2 측정 유닛(340)으로부터 출력된 논리적 큐빗이 '1'인 경우, 제 1 논리 비트 변환기(350)는 EPR 쌍
Figure PCTKR2017011470-appb-I000054
의 부호 B에 해당하는 논리 큐빗에 대해 논리 비트 변환 연산을 수행할 수 있다. 이는 도 1 및 도 2를 통하여 설명된 논리 비트 변환기(150)의 동작, 또는 도 3을 통하여 설명된 논리 비트 변환기(250)의 동작과 유사할 수 있다.
The first logical bit converter 350 may perform an additional operation depending on the output result from the second measurement unit 340. For example, when the logical qubit output from the second measurement unit 340 is '1', the first logical bit converter 350 is an EPR pair.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000054
A logical bit transform operation may be performed on the logical qubit corresponding to the sign B of λ. This may be similar to the operation of the logical bit converter 150 described with reference to FIGS. 1 and 2, or the operation of the logical bit converter 250 described with reference to FIG. 3.
제 2 논리 비트 변환기(360)는 제 1 측정 유닛(330)으로부터의 출력 결과에 의존하여 추가적인 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제 1 측정 유닛(330)으로부터 출력된 논리적 큐빗이 '1'인 경우, 제 2 논리 비트 변환기(360)는 제 1 논리 비트 변환기(350)의 출력 결과에 대해 논리 비트 변환 연산을 수행할 수 있다.The second logical bit converter 360 may perform an additional operation depending on the output result from the first measurement unit 330. For example, when the logical qubit output from the first measurement unit 330 is '1', the second logical bit converter 360 performs a logical bit conversion operation on the output result of the first logical bit converter 350. Can be done.
결과적으로, 제 2 논리 비트 변환기(360)로부터 오류 정정 부호 B로 인코딩된 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000055
가 출력될 수 있다.
As a result, quantum information encoded with an error correction code B from the second logical bit converter 360
Figure PCTKR2017011470-appb-I000055
May be output.
도 5는 재귀적 L 단계로 인코딩된 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000056
를, 재귀적 L+1 단계(concatenation level L+1)의 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000057
로 변환시키는 스테이트 인젝션(state injection) 회로를 개략적으로 보여주는 도면이다.
5 is quantum information encoded in a recursive L step.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000056
Quantum information of the recursive L + 1 level (concatenation level L + 1)
Figure PCTKR2017011470-appb-I000057
Is a schematic diagram of a state injection circuit that converts the circuits to a < RTI ID = 0.0 >
스테이트 인젝션 회로(400)는 제 1 CNOT 게이트(410), 디코더(420), 제 2 CNOT 게이트(430), 하다마드 게이트(440), 제 1 측정 유닛(450), 제 2 측정 유닛(460), 제 1 논리 비트 변환기(470), 및 제 2 논리 비트 변환기(480)를 포함할 수 있다.The state injection circuit 400 includes a first CNOT gate 410, a decoder 420, a second CNOT gate 430, a Hadamard gate 440, a first measurement unit 450, and a second measurement unit 460. , A first logical bit converter 470, and a second logical bit converter 480.
제 1 CNOT 게이트(410)는 논리 큐빗들
Figure PCTKR2017011470-appb-I000058
Figure PCTKR2017011470-appb-I000059
에 대해 CNOT 연산을 수행할 수 있다. 디코더(420)는 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000060
을 디코딩하여 재귀적 L 단계의 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000061
을 생성할 수 있다. 제 2 CNOT 게이트(430)는 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000062
및 논리 큐빗
Figure PCTKR2017011470-appb-I000063
에 대해 CNOT 연산을 수행할 수 있다. 하다마드 게이트(440)는 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000064
에 대해 하다마드 변환을 수행할 수 있다.
The first CNOT gate 410 is logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000058
And
Figure PCTKR2017011470-appb-I000059
You can perform CNOT operations on. Decoder 420 is logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000060
Decode the logical qubit of the recursive L
Figure PCTKR2017011470-appb-I000061
Can be generated. The second CNOT gate 430 is a quantum information
Figure PCTKR2017011470-appb-I000062
And logical qubits
Figure PCTKR2017011470-appb-I000063
You can perform CNOT operations on. Hadamard gate 440 is a quantum information
Figure PCTKR2017011470-appb-I000064
Hadamard transform can be performed on.
제 1 측정 유닛(450)은 하다마드 게이트(440)의 출력의 논리적 비트 값을 측정할 수 있다. 예를 들어, 하다마드 게이트(440)의 출력 결과 중, 클래시컬 비트 '1'의 개수가 홀수인 경우, 제 1 측정 유닛(450)은 논리적 큐빗 '1'을 출력할 것이다. 제 2 측정 유닛(460)은 제 2 CNOT 게이트(430)의 출력의 논리적 비트 값을 측정할 수 있다. 예를 들어, 제 2 CNOT 게이트(430)의 출력 결과 중, 클래시컬 비트 '1'의 개수가 홀수인 경우, 제 2 측정 유닛(460)은 논리적 큐빗 '1'을 출력할 것이다.The first measurement unit 450 can measure the logical bit value of the output of the Hadamard gate 440. For example, when the number of the classical bits '1' is odd among the output results of the Hadamard gate 440, the first measurement unit 450 may output the logical qubit '1'. The second measurement unit 460 can measure the logical bit value of the output of the second CNOT gate 430. For example, when the number of the classical bits '1' is odd among the output results of the second CNOT gate 430, the second measuring unit 460 may output the logical qubit '1'.
제 1 논리 비트 변환기(470)는 제 1 측정 유닛(450)으로부터의 출력 결과에 의존하여 추가적인 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제 1 측정 유닛(450)으로부터 출력된 논리적 큐빗이 '1'인 경우, 제 1 논리 비트 변환기(470)는 도면의 세 번째 논리 큐빗에 대해 논리 비트 변환을 수행할 수 있다. 이는 도 1 및 도 2를 통하여 설명된 논리 비트 변환기(150)의 동작, 또는 도 3을 통하여 설명된 논리 비트 변환기(250)의 동작과 유사할 수 있다.The first logical bit converter 470 may perform additional operations depending on the output result from the first measurement unit 450. For example, when the logical qubit output from the first measurement unit 450 is '1', the first logical bit converter 470 may perform logical bit conversion on the third logical qubit of the drawing. This may be similar to the operation of the logical bit converter 150 described with reference to FIGS. 1 and 2, or the operation of the logical bit converter 250 described with reference to FIG. 3.
제 2 논리 비트 변환기(480)는 제 2 측정 유닛(460)으로부터의 출력 결과에 의존하여 추가적인 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제 2 측정 유닛(460)으로부터 출력된 논리적 큐빗이 '1'인 경우, 제 2 논리 비트 변환기(480)는 제 1 논리 비트 변환기(470)의 출력 결과에 대해 논리 비트 변환을 수행할 수 있다.The second logical bit converter 480 may perform additional computations depending on the output result from the second measurement unit 460. For example, when the logical qubit output from the second measurement unit 460 is '1', the second logical bit converter 480 performs logical bit conversion on the output result of the first logical bit converter 470. can do.
결과적으로, 재귀적 L+1 단계의 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000065
가 생성될 수 있다.
As a result, quantum information in the recursive L + 1 phase
Figure PCTKR2017011470-appb-I000065
Can be generated.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 양자 회로를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 양자 회로(500)는 임의의 재귀적 단계(즉, n 단계)로 인코딩된, 이종의 논리적 벨 양자 상태를 구현할 수 있다.6 is a block diagram illustrating a quantum circuit according to an embodiment of the present invention. Quantum circuit 500 may implement heterogeneous logical bell quantum states, encoded in any recursive step (ie, n steps).
양자 회로(500)는 복수의 스테이트 인젝션 회로들(511~51m, 521~52m)을 포함할 수 있다. 스테이트 인젝션 회로들(511~51m, 521~52m) 각각의 동작은 앞서 5를 통하여 설명된 것과 실질적으로 동일하다. 그러므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.The quantum circuit 500 may include a plurality of state injection circuits 511 to 51m and 521 to 52m. The operation of each of the state injection circuits 511 to 51m and 521 to 52m is substantially the same as described above with reference to 5. Therefore, duplicate descriptions will be omitted.
스테이트 인젝션 회로들(511~51m)은 양자 오류 정정 부호 A로 인코딩된, 재귀적 1 단계의 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000066
를 재귀적 n 단계의 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000067
로 변환시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 스테이트 인젝션 회로들(521~52m)은 양자 오류 정정 부호 B로 인코딩된, 재귀적 1 단계의 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000068
를 재귀적 n 단계의 양자 정보
Figure PCTKR2017011470-appb-I000069
로 변환시키도록 구성될 수 있다.
State injection circuits 511-51m are recursive one-step quantum information encoded with quantum error correction code A.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000066
Quantum information of recursive n steps
Figure PCTKR2017011470-appb-I000067
It can be configured to convert to. Similarly, state injection circuits 521-52m are recursive one-step quantum information encoded with quantum error correction code B.
Figure PCTKR2017011470-appb-I000068
Quantum information of recursive n steps
Figure PCTKR2017011470-appb-I000069
It can be configured to convert to.
이상 설명된 실시 예들에 의하면, 서로 다른 양자 오류 정정 부호로 인코딩된 양자 정보들을 서로 자유롭게 변환시킬 수 있다. 범용 양자 정보 처리 기기(예컨대, 양자 컴퓨터 등)는 다양한 기능을 수행하기 때문에, 복수의 컴포넌트들로 구성될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 양자 부호 변환 기술을 이용함으로써, 범용 양자 정보 처리 기기의 구현이 좀 더 용이해질 것이다.According to the embodiments described above, it is possible to freely convert quantum information encoded with different quantum error correction codes. Since a general purpose quantum information processing device (eg, a quantum computer, etc.) performs various functions, it will consist of a plurality of components. Therefore, by using the quantum code conversion technology according to an embodiment of the present invention, it will be easier to implement a general-purpose quantum information processing device.
위에서 설명한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다.The above description is specific examples for practicing the present invention. The present invention will include not only the embodiments described above but also embodiments that can be easily changed or simply changed in design. In addition, the present invention will also include techniques that can be easily modified and implemented using the embodiments described above.
본 발명은 양자 회로에 이용 가능하다.The present invention can be used for quantum circuits.

Claims (16)

  1. CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환들을 수행하는 하다마드 게이팅 회로;A Hadamard gating circuit for performing Hadamard transforms on the CAT quantum state;
    제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 의해 각각 인코딩 된 제 1 및 제 2 논리 큐빗들과 상기 하다마드 게이팅 회로의 변환 결과들에 대해 CNOT (Controlled-NOT) 연산들을 수행하는 CNOT 게이팅 회로;A CNOT gating circuit for performing CNOT (Controlled-NOT) operations on the first and second logical qubits encoded by the first and second quantum error correction codes and the conversion results of the Hadamard gating circuit, respectively;
    상기 CNOT 게이팅 회로의 연산 결과를 측정하는 측정 회로; 그리고A measurement circuit for measuring a calculation result of the CNOT gating circuit; And
    상기 측정 회로의 측정 결과에 기초하여 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 변환시키는 논리 비트 변환기를 포함하는 양자 회로.And a logic bit converter for converting the bits of the second logical qubit based on a measurement result of the measurement circuit.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 CAT 양자 상태의 길이는 상기 제 1 논리 큐빗의 길이와 상기 제 2 논리 큐빗의 길이의 합과 동일한 양자 회로.And the length of the CAT quantum state is equal to the sum of the length of the first logical qubit and the length of the second logical qubit.
  3. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 CNOT 게이팅 회로는, 상기 제 1 논리 큐빗과, 상기 CAT 양자 상태 중 상기 제 1 논리 큐빗에 대응하는 양자 상태에 대해 CNOT 연산들을 수행하고,The CNOT gating circuit performs CNOT operations on the first logical qubit and a quantum state corresponding to the first logical qubit of the CAT quantum state,
    상기 CNOT 게이팅 회로는, 상기 제 2 논리 큐빗과, 상기 CAT 양자 상태 중 상기 제 2 논리 큐빗에 대응하는 양자 상태에 대해 CNOT 연산들을 수행하는 양자 회로.And the CNOT gating circuit performs CNOT operations on the second logical qubit and a quantum state of the CAT quantum state corresponding to the second logical qubit.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 및 제 2 논리 큐빗들은
    Figure PCTKR2017011470-appb-I000070
    양자 상태로 인코딩된 양자 회로.
    The first and second logical qubits are
    Figure PCTKR2017011470-appb-I000070
    Quantum circuit encoded in quantum states.
  5. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 논리 비트 변환기는 파울리 X 행렬 또는 파울리 X 행렬들의 조합으로 구성되어 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 반전시키는 양자 회로.And the logical bit converter consists of a Pauli X matrix or a combination of Pauli X matrices to invert the bits of the second logical qubit.
  6. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein
    상기 측정 회로는 상기 CNOT 게이팅 회로의 연산 결과들에 대응하는 클래시컬 비트들을 출력하고, The measuring circuit outputs the classical bits corresponding to the operation results of the CNOT gating circuit,
    상기 논리 비트 변환기는 상기 클래시컬 비트들 중 '1'의 개수가 홀수인 경우 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 반전시키는 양자 회로.And the logical bit converter inverts the bits of the second logical qubit when the number of '1' of the classical bits is odd.
  7. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6,
    상기 클래시컬 비트들에 기초하여 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 반전시킬지 여부를 판단하는 패리티 검출기를 더 포함하는 양자 회로.And a parity detector that determines whether to invert the bits of the second logical qubit based on the classical bits.
  8. 서로 다른 양자 오류 정정 부호들에 의해 인코딩된 논리적 벨 양자 상태를 구현하도록 구성되는 양자 회로의 동작 방법에 있어서:A method of operating a quantum circuit configured to implement a logical bell quantum state encoded by different quantum error correction codes:
    CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환을 수행하는 단계;Performing a Hadamard transform on the CAT quantum state;
    제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 의해 각각 인코딩 된 제 1 및 제 2 논리 큐빗들과 상기 하다마드 변환 결과에 대해 CNOT (Controlled-NOT) 연산을 수행하는 단계;Performing a CNOT (Controlled-NOT) operation on the first and second logical qubits encoded by the first and second quantum error correction codes and the Hadamard transform result, respectively;
    상기 CNOT 연산 결과를 측정하는 단계; 그리고Measuring a result of the CNOT operation; And
    상기 측정 결과에 기초하여, 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 변환시키는 단계를 포함하는 방법.Based on the measurement result, converting the bits of the second logical qubit.
  9. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 논리 비트를 변환시키는 단계는 파울리 X 행렬 또는 파울리 X 행렬들의 조합을 이용하여 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 반전시키는 단계를 포함하는 방법.Converting the logical bits comprises inverting the bits of the second logical qubit using a Pauli X matrix or a combination of Pauli X matrices.
  10. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 측정하는 단계는 상기 연산 결과를 측정하여 클래시컬 비트들을 출력하는 단계를 포함하고,The measuring may include measuring the operation result and outputting the classical bits,
    상기 클래시컬 비트들 중 '1'의 개수가 홀수인 경우 상기 제 2 논리 큐빗의 비트가 반전되는 방법.And if the number of '1' of the classical bits is odd, the bits of the second logical qubit are inverted.
  11. 각각이, CAT 양자 상태에 대해 하다마드 변환들을 수행하는 하다마드 게이팅 회로, 제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 의해 각각 인코딩 된 제 1 및 제 2 논리 큐빗들과 상기 하다마드 게이팅 회로의 변환 결과들에 대해 CNOT (Controlled-NOT) 연산들을 수행하는 CNOT 게이팅 회로, 그리고 상기 CNOT 게이팅 회로의 연산 결과를 측정하는 측정 회로를 포함하는, 제 1 내지 제 3 양자 회로들;A transform of the Hadamard gating circuit with the Hadamard gating circuit, each performing Hadamard transforms for the CAT quantum state, the first and second logical qubits encoded by the first and second quantum error correction codes, respectively First to third quantum circuits, including a CNOT gating circuit for performing CNOT (Controlled-NOT) operations on the results, and a measurement circuit for measuring the operation result of the CNOT gating circuit;
    각각의 양자 회로의 상기 측정 회로의 측정 결과를 수신하여 타깃 양자 상태를 선택하는 선택 회로; 그리고A selection circuit that receives a measurement result of the measurement circuit of each quantum circuit and selects a target quantum state; And
    상기 선택 회로의 선택 결과에 기초하여 상기 제 3 양자 회로로부터 출력되는 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 변환시키는 논리 비트 변환기를 포함하는 양자 회로.And a logic bit converter for converting bits of the second logical qubit output from the third quantum circuit based on a selection result of the selection circuit.
  12. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 각각의 양자 회로의 상기 CNOT 게이팅 회로는, 상기 제 1 논리 큐빗과, 상기 CAT 양자 상태 중 상기 제 1 논리 큐빗에 대응하는 양자 상태에 대해 CNOT 연산들을 수행하고,The CNOT gating circuit of each quantum circuit performs CNOT operations on the first logical qubit and a quantum state corresponding to the first logical qubit of the CAT quantum state,
    상기 각각의 양자 회로의 상기 CNOT 게이팅 회로는, 상기 제 2 논리 큐빗과, 상기 CAT 양자 상태 중 상기 제 2 논리 큐빗에 대응하는 양자 상태에 대해 CNOT 연산들을 수행하는 양자 회로.And the CNOT gating circuit of each quantum circuit performs CNOT operations on the second logical qubit and a quantum state corresponding to the second logical qubit of the CAT quantum state.
  13. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 선택 회로는 다수결의 원칙(majority voting)에 따라 상기 타깃 양자 상태를 선택하는 양자 회로.The selection circuit selects the target quantum state according to a majority voting principle.
  14. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 각각의 양자 회로로부터 출력되는 상기 제 1 및 제 2 양자 오류 정정 부호들에 대해 양자 오류 정정 동작을 실행하는 복수의 양자 오류 정정 회로들을 더 포함하는 양자 회로.And a plurality of quantum error correction circuits for performing a quantum error correction operation on the first and second quantum error correction codes output from the respective quantum circuits.
  15. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 각각의 양자 회로로 입력되는 상기 제 1 및 제 2 논리 큐빗들은
    Figure PCTKR2017011470-appb-I000071
    양자 상태로 인코딩 된 양자 회로.
    The first and second logical qubits input to the respective quantum circuits are
    Figure PCTKR2017011470-appb-I000071
    Quantum circuit encoded in quantum state.
  16. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 비트 변환기는 파울리 X 행렬 또는 파울리 X 행렬드의 조합을 이용하여 상기 제 3 양자 회로로부터 출력되는 상기 제 2 논리 큐빗의 비트를 반전시키는 양자 회로.And the bit converter inverts the bits of the second logical qubit output from the third quantum circuit using a combination of Pauli X matrix or Pauli X matrix.
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